Milde bis wilde Plastizität des oberen Erdmantels

Warum Gesteine tief in der Erde nicht immer gleichmäßig fließen

Tief unter unseren Füßen besteht der Erdmantel aus heißem, festem Gestein, das über Millionen von Jahren langsam kriecht und so die Bewegung der Kontinente antreibt. Dieses langsame Fließen wird meist als glatt und beständig dargestellt, wie kalter Honig. Die hier zusammengefasste Studie stellt dieses Bild in Frage. Durch Untersuchungen winziger Bereiche von Mantelmineralen im Labor zeigen die Autoren, dass sich selbst scheinbar festes, langsam bewegtes Gestein in plötzlichen mikroskopischen Ausbrüchen verformen kann. Diese verborgenen Rucke könnten helfen, rätselhafte tiefe Erdbeben und andere überraschende Verschiebungen im Inneren unseres Planeten zu erklären.

Vom sanften Fließen zu plötzlichen Rucken

Jahrzehntelang gingen Geophysiker davon aus, dass sich der obere Mantel hauptsächlich durch kontinuierliches, nahezu unverändertes Kriechen verformt. Messungen großskaliger Plattenbewegungen und die Entspannung nach Erdbeben zeigen glatte, allmähliche Bewegungen und stützen dieses Bild. Arbeiten aus der Materialwissenschaft haben jedoch ein breiteres Verhaltensspektrum in Metallen, Eis und anderen Kristallen gezeigt. Anstatt gleichmäßig zu fließen, verformen sich viele Materialien sprunghaft, mit kurzen Ausbrüchen innerer Dehnung, die als Versetzungs-Avalanches bezeichnet werden. Dieses Spektrum von nahezu stetigem „milden“ Verhalten bis zu stark ruckartigem „wilden“ Verhalten nennt man milde-bis-wilde Plastizität. Die neue Studie fragt: Wo liegt das wichtigste Mantelmineral Olivin auf diesem Spektrum?

Winzige Volumina von Mantelgestein untersuchen

Die Autoren werten eine Reihe von Nanoindentations-Experimenten an Einkristallen von Olivin neu aus. Bei diesen Tests wird eine Diamantspitze mit sehr kleinem, abgerundetem Ende in den Kristall gedrückt, während das Instrument aufzeichnet, wie die Probe zurückdrückt und wie ihre Oberfläche einsinkt. Zuerst ist die Reaktion elastisch: Der Kristall federt zurück, wenn die Belastung entfernt wird. Dann markiert ein scharfes „Pop-in“ den Beginn der bleibenden Verformung. Danach vertieft sich die Eindellung, während der Kristall plastisch fließt. Das Team konzentrierte sich auf diese spätere Phase, um zu prüfen, ob der scheinbar glatte plastische Fluss tatsächlich kleine, plötzliche Verschiebungs-Sprünge verbirgt.

Microskopische Avalanches nachweisen

Durch die Analyse von Hunderten von Last–Verschiebungs-Kurven fanden die Forschenden heraus, dass die meisten Tests viele kleine Ausbrüche enthielten—schnelle Sprünge in der Eindringtiefe, die sich deutlich vom Hintergrundrauschen absetzten. Diese Ausbrüche waren typischerweise nur wenige Nanometer hoch, traten aber innerhalb einzelner Messintervalle auf, was auf sehr schnelle Ereignisse hinweist. Statistische Auswertung zeigte, dass ihre Größen einer log-normalen Verteilung folgten, ein Muster, das zu erwarten ist, wenn viele Versetzungen—linienartige Defekte im Kristall—korreliert in Avalanches statt unabhängig voneinander bewegen. Mit Methoden, die Indentationsdaten in Scherungs-Spannungs-Schätzungen umrechnen, berechneten die Autoren, dass nach dem anfänglichen Pop-in etwa 4–12 % der gesamten plastischen Dehnung in diesen Experimenten durch solche Ausbrüche getragen wurden. Insgesamt verhält sich Olivin bei Raumtemperatur überwiegend mild, jedoch mit einer messbaren „wilden“ Komponente.

Hochskalierung vom Labor in die tiefe Erde

Um diese Erkenntnisse mit dem Mantel zu verbinden, verwendet die Studie einen theoretischen Rahmen, der Wildheit mit zwei Schlüsselfaktoren verknüpft: der Größe des betrachteten Gebiets und dem inneren Widerstand gegen Versetzungsbewegung. Wenn die Probe groß ist oder Barrieren gegen Versetzungsbewegung stark sind, verschmelzen viele winzige Avalanches zu einem scheinbar glatten Signal—milde Plastizität. Wenn das Gebiet klein ist oder der Widerstand gering, dominieren einzelne Avalanches—wilde Plastizität. Messungen und Flussgesetze für Olivin deuten darauf hin, dass im kalten, festen lithosphärischen oberen Mantel der Erde der Widerstand hoch ist und Plastizität auf den meisten Skalen mild bleibt. Im Gegensatz dazu sagt derselbe Rahmen für die heißere, weniger widerständige Asthenosphäre darunter ein extrem wildes Verhalten voraus: Dort würde die Verformung zumindest bis zur Korngröße hauptsächlich von intermittierenden Avalanches statt von stetigem Kriechen getragen.

Verborgene Ausbrüche und die mysteriösen tiefen Verschiebungen der Erde

Diese Ergebnisse deuten auf einen Übergang mit der Tiefe hin: von überwiegend glatter, milder Plastizität im flacheren oberen Mantel zu stark intermittierender, wilder Plastizität tiefer unten. Für einen Satelliten oder eine GPS-Station an der Erdoberfläche würde dieses tiefere Verhalten dennoch glatt erscheinen, weil unzählige korngrößenbedingte Avalanches über große Entfernungen und lange Zeiten hinweg gemittelt werden. Doch dort, wo die Dehnungsraten lokal hoch sind—etwa in Subduktionszonen oder duktilen Scherzonen—könnten Ausbrüche von Versetzungsbewegungen größere Instabilitäten auslösen oder verstärken, einschließlich tiefer Erdbeben und langsam gleitender Ereignisse. Einfach ausgedrückt zeigt die Studie, dass der scheinbar ruhige, kriechende Mantel der Erde innerlich von mikroskopischen „Gesteinsbeben“ summen könnte und dass diese verborgene Wildheit ein wichtiger, bislang fehlender Bestandteil unseres Verständnisses sein könnte, warum und wie die feste Erde manchmal plötzlich versagt statt leise zu fließen.

Zitation: Wallis, D., Kumamoto, K.M. & Breithaupt, T. Mild-to-wild plasticity of Earth’s upper mantle. Nat. Geosci. 19, 339–344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41561-026-01920-7

Schlüsselwörter: oberer Mantel, Olivin, Plastizität, Versetzungs-Avalanches, Asthenosphäre